灵长类特异性串联重复序列标记的新型人类CpG岛启动子类别及其在表观遗传调控中的独特作用

本研究揭示了人类基因组中一类新型CpG岛(TR-CGI)启动子的特征，这些启动子含有≥400bp的灵长类特异性串联重复序列(TRs)。研究人员通过全基因组分析鉴定出342个TR-CGI启动子，发现其具有类似印记控制区(ICRs)的表观遗传特性：在胚胎发育过程中获得甲基化并抵抗多能干细胞重编程。这些启动子基因富集于神经发育/行为障碍相关通路，且在人类进化过程中通过TR插入获得甲基化潜能，为理解非印记基因的表观调控提供了新视角。

　　

在哺乳动物基因调控领域，CpG岛(CGI)启动子的甲基化动态一直是核心科学问题。虽然已知约20个印记控制区(ICRs)通过串联重复序列(TRs)维持亲本特异性甲基化，但非印记CGI启动子是否具有类似特征仍是未解之谜。更令人困惑的是，这些表观遗传标记如何在进化中塑造人类特有的基因调控网络，以及它们与神经发育障碍的潜在关联，都是亟待探索的前沿课题。

印度理工学院海得拉巴校区分子生物学与遗传学实验室K.Naga Mohan团队联合匹兹堡大学医学院研究人员，在《Scientific Reports》发表突破性研究。通过生物信息学分析和多组学数据整合，系统鉴定了342个含TRs的人类CGI启动子(TR-CGIs)，发现其具有类似ICRs的"表观记忆"特性：能在胚胎发育中获得稳定甲基化，抵抗体细胞重编程至primed iPSCs（primed诱导多能干细胞）时的擦除，却在naive iPSCs（原始态多能干细胞）中解甲基化。这些基因在染色体末端成簇分布，显著富集于癫痫等神经精神疾病相关通路，且TRs的进化获得与人类甲基化模式形成密切相关。

研究采用四大关键技术：1) 基于hg19/hg38基因组组装的dot plot（点阵图）分析鉴定TR-CGIs；2) 整合450K/EPIC甲基化芯片、RRBS（简化代表性亚硫酸氢盐测序）和WGBS（全基因组亚硫酸氢盐测序）数据评估表观状态；3) 利用GTEx（基因型-组织表达）数据库分析转录调控；4) 跨物种比较人类、恒河猴和小鼠的直系同源基因进化模式。

鉴定启动子近端TR-CGIs的特征

通过分析8,654个启动子相关CGIs，发现342个含有≥400bp的TRs（占4%），单位长度50-150bp。这些TR-CGIs呈现独特分布模式：60%以2.5-23Mb的集群位于染色体末端，与印记基因集群不重叠。典型案例如PRKXP1基因含4.4kb TRs，而小鼠直系同源基因则无此结构。

生物学通路与疾病关联

DisGeNET分析显示TR-CGI基因显著富集于癫痫(EPD，p=3.2E-5)、双相障碍(BPD)等11种神经精神疾病。蛋白互作网络揭示这些基因参与泛素化、核受体共抑制等过程，GTEx数据证实其在杏仁核特异性高表达。

表观遗传特征比较

TR-CGIs与ICRs共享三大特性：1) 在肌肉等7种组织中甲基化比例(14%)显著高于普通CGIs(6.3%)；2) 在62个成纤维细胞系中呈现个体间甲基化差异（如PIWIL1波动达60%）；3) 对ZFP57（锌指蛋白57）结合位点的富集程度介于ICRs与普通CGIs之间。

重编程抵抗性特征

在胚胎组织→primed iPSCs转化过程中，TR-CGIs与ICRs同样抵抗甲基化擦除（平均仅12%变化），显著强于普通CGIs(28%变化)。但在naive iPSCs中，二者均发生显著解甲基化，提示TRs可能赋予"表观可塑性闸门"功能。

进化与跨物种比较

304个人类TR-CGIs中仅17个小鼠直系同源基因含TRs。关键进化节点分析显示：PRKXP1在猩猩科获得300bp TRs，大猩猩扩展至1.1kb，人类进一步扩增到4.4kb，且甲基化水平随TR长度增加而升高。小鼠Trim52基因的TR-CGI甲基化，而其人类非TR同源基因未甲基化，证实TRs驱动甲基化获得。

这项研究开创性地定义了人类基因组中具有"类印记"特性的TR-CGI启动子新类别。其三大科学价值在于：1) 揭示TRs作为表观遗传调控模块，通过灵长类特异性的序列创新塑造基因调控网络；2) 为神经发育障碍的跨代表观遗传机制提供分子基础；3) 阐明DNA甲基化在进化中的"分子化石"作用——TRs的渐进式获得记录着表观调控网络的进化轨迹。该发现对干细胞重编程、跨代表观遗传及神经精神疾病的精准诊疗均具有重要启示。